大功率多信道通信系統(tǒng)中無源互調(diào)的產(chǎn)生機(jī)理和測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）

1.引言

隨著科技的不斷地發(fā)展和進(jìn)步，移動(dòng)通信技術(shù)也在飛速發(fā)展，從早期的1G(FirstGeneration-第一代移動(dòng)通信技術(shù))，到前些年的2G(Second Generation-第二代移動(dòng)通信技術(shù))，再到最近幾年火熱的3G,以及正在布點(diǎn)試網(wǎng)的4G,移動(dòng)通信系統(tǒng)在不斷地更新?lián)Q代，移動(dòng)通信基站也在不斷地增加擴(kuò)容。從2012年中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的通信業(yè)運(yùn)行報(bào)告中移動(dòng)通信用戶總數(shù)首次突破10億的數(shù)據(jù)上也可見一斑。隨著移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展和移動(dòng)通信用戶的不斷增加，我們的通信系統(tǒng)也要持續(xù)升級(jí)以滿足增加的數(shù)據(jù)傳輸要求，然而這些飛速的發(fā)展和升級(jí)并不是完全是積極向上的，也會(huì)帶來一系列的問題出現(xiàn)。比如無源互調(diào)干擾，各運(yùn)營商不同網(wǎng)絡(luò)間的干擾，同鄰頻干擾以及直放站、干放有源干擾等。

而其中最為突出的就是無源互調(diào)干擾問題。

在大功率、多信道通信系統(tǒng)中，存在各種各樣無源器件(天線、射頻饋線、連接件、避雷器、濾波器、雙工器、定向耦合器、射頻終端負(fù)載及衰減器等)，這些無源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于工作頻率的更高次諧波，而這些諧波與工作頻率混合在一起會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率，其最終結(jié)果就是在空中產(chǎn)生一組無用的頻譜從而影響通信系統(tǒng)的正常的通信。這就是大功率多通道通信系統(tǒng)中無源互調(diào)干擾問題。

無源互調(diào)指標(biāo)是衡量移動(dòng)通信質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，但過去由于技術(shù)不成熟、沒有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)或者是一套測試系統(tǒng)太過昂貴等因素導(dǎo)致我們對(duì)其重視不夠。

但隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)中更大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用和接收機(jī)靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，引起越來越多的專家和研究學(xué)者對(duì)無源互調(diào)干擾的重視。而且目前中國各移動(dòng)運(yùn)營商也已經(jīng)將無源互調(diào)標(biāo)準(zhǔn)納入集采要求。這些都迫使我們?nèi)?duì)無源互調(diào)進(jìn)行研究分析，對(duì)互調(diào)干擾進(jìn)行合理地測量并找到有效降低干擾的措施。

2.PIM的基本理論

無源互調(diào)( P a s s i v e I n t e r m o d u -lation,簡稱PIM)，是由無源射頻器件，如天線、射頻饋線、連接件、避雷器、濾波器、雙工器、定向耦合器、射頻終端負(fù)載及衰減器等器件的非線性產(chǎn)生的。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)在具有非線性無源器件中混合時(shí)，無源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于工作頻率的更高次諧波，而這些諧波與工作頻率混合在一起會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率，這組新的的頻率就是PIM產(chǎn)物。當(dāng)這些PIM產(chǎn)物落在系統(tǒng)的接收頻道內(nèi)，接收機(jī)的靈敏度會(huì)降低，從而會(huì)導(dǎo)致通話質(zhì)量或者系統(tǒng)的載波干擾比降低，系統(tǒng)的容量會(huì)減少，同時(shí)在數(shù)字信號(hào)傳輸過程中提高了誤碼率等，無源互調(diào)在日常通信中最常見的表現(xiàn)是在通信過程中遇到的回音、撥不通、在打電話中聽到第三方聲音等。

無源器件都存在非線性，僅僅在功率不大時(shí)可以考慮無源器件為線性。一般的移動(dòng)通信系統(tǒng)中往往包含多個(gè)頻率信號(hào)，為了分析P I M產(chǎn)物的產(chǎn)生和P I M的基本理論，不失一般性，我們考慮最簡單的情況進(jìn)行分析。即系統(tǒng)中有兩路信號(hào)f1和f2同時(shí)作用于非線性無源器件，則有 :

式中m,n均為整數(shù)，可以為正整數(shù)、負(fù)整數(shù)和不同時(shí)為零，(|m|+|n|)定義為PIM產(chǎn)物的階數(shù)。當(dāng)m±n為奇數(shù)時(shí)，新產(chǎn)生的頻率會(huì)落到或者靠近接收通道，可能會(huì)影響系統(tǒng)的靈敏度。通常把2f1-f2或者2f2-f1兩種頻率組合產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物稱為三階互調(diào)，3f1-2f2或者3f2-2f11兩種頻率組合產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物稱為五階互調(diào)，以此類推。一般情況下隨著階數(shù)的增加互調(diào)電平呈下降趨勢，如圖1所示，三階、五階、七階干擾電平最大。

當(dāng)兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)通過無源器件時(shí)，由于器件的非線性特性，產(chǎn)生的新的諧波和不同階數(shù)的互調(diào)產(chǎn)物，這些信號(hào)共同組成了Vout的頻譜。

當(dāng)兩個(gè)以上的信號(hào)通過無源器件時(shí)，PIM產(chǎn)物數(shù)目會(huì)很快增加，在多頻環(huán)境下，PIM產(chǎn)物的數(shù)目隨傳輸信道數(shù)目和PIM產(chǎn)物階數(shù)的增加而急劇增加。例如，三階和五階PIM產(chǎn)物數(shù)目與傳輸信道數(shù)目的關(guān)系如圖2所示。

3.PIM的產(chǎn)生機(jī)理

移動(dòng)通信系統(tǒng)中，PIM產(chǎn)物來源于系統(tǒng)中無源器件的非線性。經(jīng)過多方實(shí)驗(yàn)認(rèn)證表明，無源器件所選用材料的品質(zhì)、鍍層的材料和厚度、接觸材料中是否含異金屬、材料是否具有磁滯特性、各接觸面壓力、焊接點(diǎn)圓潤不虛焊、連接器中是否材質(zhì)雜質(zhì)或灰塵等等都會(huì)產(chǎn)生PIM干擾。如果按照表現(xiàn)類型分類的話，大致可以分為兩大類：由接觸引起的PIM干擾;由器件材料引起的PIM干擾。我們把他們定義為：接觸非線性和材料非線性。前者表示任何具有非線性的電流和電壓行為的金屬接觸，如法蘭盤、調(diào)諧螺桿、緊固螺釘結(jié)合處的松動(dòng)、氧化和腐蝕等;后者指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料、碳纖維和鐵、鈷、鎳合金等。

3.1 接觸非線性

由于接觸非線性引起的PIM干擾具體包括以下幾個(gè)方面：

1)低劣的制造工藝引起松動(dòng)連接、金屬裂縫和連接處的氧化作用產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物;

2)在金屬接觸處穿越氧化薄層的電子隧道效應(yīng)和半導(dǎo)體行為產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物;3)由結(jié)合面上的點(diǎn)接觸引起的機(jī)械效應(yīng);

4)點(diǎn)電子接觸引起的電子效應(yīng)，點(diǎn)電子接觸和局部發(fā)電流引起的熱響應(yīng);

5 )強(qiáng)直流引起金屬導(dǎo)體中離子電遷移;

6)接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和磨損;

7)不同熱膨脹系數(shù)器件接觸引起熱循環(huán);

8)金屬接觸的松動(dòng)和滑動(dòng)以及氧化層或污染物的形成。

3.2 材料非線性

由于材料非線性引起的PIM干擾具體包括以下幾個(gè)方面：

1)電介質(zhì)薄層的隧道貫穿：電子通過厚度小于10nm的電介質(zhì)薄層直接由一個(gè)導(dǎo)體到另一個(gè)導(dǎo)體的隧道貫穿，如由氧化層分離的金屬之間的電子隧道效應(yīng);

2)鐵磁效應(yīng)：鐵磁材料(如鐵、鈷、鎳)具有很大的磁導(dǎo)率，并隨磁場非線性變化，顯示出磁滯特性，鐵磁材料能引起很強(qiáng)的PIM產(chǎn)物;

3)接觸電容：由接觸表面薄層和污染層所引起的電容;

4)電致伸縮：電場引起線性變化，發(fā)生于純凈的非線性介質(zhì)中的電致伸縮對(duì)同軸電纜中產(chǎn)生的PIM產(chǎn)物有貢獻(xiàn);

5)磁阻：磁場引起金屬導(dǎo)體電阻的變化;

6)電滯效應(yīng)：材料電偶極子有自排列趨勢;

7)磁致伸縮：磁場引起線性變化，產(chǎn)生于鐵磁材料內(nèi);

8)微放電：真空環(huán)境下由強(qiáng)電場產(chǎn)生離子氣體引起的二次電子倍增放點(diǎn)，產(chǎn)生于微狹縫之間和金屬內(nèi)的砂眼中;[!--empirenews.page--]

9)電介質(zhì)擊穿：強(qiáng)電場引起的非破壞性固態(tài)電介質(zhì)擊穿，可能的機(jī)理為熱擊穿和雪崩;

10)空氣充電：充電載流子在接觸點(diǎn)進(jìn)入絕緣體或半導(dǎo)體內(nèi)，這個(gè)效應(yīng)產(chǎn)生于非均勻內(nèi)部電場中。在半導(dǎo)體中，由于同時(shí)存在電子和空穴，因而可產(chǎn)生很強(qiáng)的非線性電流電壓關(guān)系;

11)離子導(dǎo)電：由離子(如空穴)引起的導(dǎo)電線性，強(qiáng)電場時(shí)為非線性效應(yīng)。在RF波段和微波頻段，直流分量大時(shí)，次效應(yīng)才顯示出來;

12)熱離子發(fā)射效應(yīng)：由于熱能的統(tǒng)計(jì)分布引起電子穿過勢壘的效應(yīng)，可在導(dǎo)體氧化膜上產(chǎn)生;

13)場發(fā)射：電子穿過勢壘的量子力學(xué)隧道效應(yīng)。在強(qiáng)電場情況下，電流密度隨場強(qiáng)非線性變化。這個(gè)效應(yīng)對(duì)溫度的依賴性沒有熱離子發(fā)射效應(yīng)強(qiáng)，而且發(fā)生于低溫情況;

14)內(nèi)部熱離子發(fā)射效應(yīng)：類似于熱離子發(fā)射效應(yīng)，起源于絕緣體或半導(dǎo)體材料內(nèi)部填充的陷阱;

15)內(nèi)部發(fā)射：電荷從束縛態(tài)到導(dǎo)帶的量子力學(xué)隧道效應(yīng)。強(qiáng)電場情況下次效應(yīng)比熱離子發(fā)射效應(yīng)更強(qiáng)。

4.PIM的測量方法

國內(nèi)的PIM測量由于起步較晚，并沒有能形成自己的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是各個(gè)采購商或制造商根據(jù)自己的理解形成了各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但由于測量方法和測試系統(tǒng)之間的區(qū)別，各系統(tǒng)間生成的數(shù)據(jù)差異較大。

國外的PIM測量則起步較早，早在2001年就制定了有關(guān)無源測試的射頻連接器、連接器電纜部件和電纜的PIM水平測量標(biāo)準(zhǔn)IEC-62037.

PIM的表征有兩種方法，一種是絕對(duì)功率電平表示法，用以dBm為單位互調(diào)產(chǎn)物電平值來表示，另外一種是相對(duì)功率電平表示法，即用互調(diào)產(chǎn)物絕對(duì)功率電平與一個(gè)輸入載波功率電平的差值來表示，單位為d B c.I E C - 6 2 0 3 7建議實(shí)驗(yàn)端口處采用2×20W(43dBm)功率，這一標(biāo)準(zhǔn)已被業(yè)界廣泛采用。譬如基站天線互調(diào)要求一般為-107dBm@2×43dBm,等同于-150dBc@2×43dBm.

一般來說，PIM特性是由多個(gè)干擾源的復(fù)雜綜合，這些干擾源在各種不同程度上受一個(gè)或者多個(gè)因素的影響。因此對(duì)PIM的建模極其復(fù)雜，只能對(duì)實(shí)際PIM電平進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測。要精確可靠地估算PIM行為，只能依靠相對(duì)精準(zhǔn)的測量方法和適當(dāng)?shù)臏y量裝置進(jìn)行測量。

無源器件的設(shè)備制造商和移動(dòng)通信系統(tǒng)運(yùn)營商以及其他無緣非線性實(shí)驗(yàn)研究都需要無源測量系統(tǒng)。一般來說。PIM產(chǎn)物測量方法可分為無輻射式和輻射式兩種。前者適合于非線性材料、連接器、同軸電纜、濾波器、功分器、耦合器、雙工器、波導(dǎo)器件等的研究，通常測量系統(tǒng)要屏蔽，終端接一個(gè)匹配負(fù)載，理想情況下不輻射任何能量;后者適合于輻射結(jié)構(gòu)，如天線、饋線、結(jié)構(gòu)部件等的研究，通常系統(tǒng)放在微波暗室或開放的測量場地。由于輻射式測量系統(tǒng)受本地信號(hào)環(huán)境影響較大，所以只在有些特定情況或必須使用輻射式測量系統(tǒng)時(shí)才會(huì)采用此方法。相比之下，由于測試系統(tǒng)是屏蔽的，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境較易控制，無輻射式測量方法更為常用。無輻射式PIM測量方法按照傳輸方向又分為無輻射傳輸式和無輻射反射式，選擇傳輸式互調(diào)及反射式互調(diào)測量是由具有最大功率的載波信號(hào)在無源器件中的傳播方向決定，如圖3所示。

4.1 傳輸式測量方法

傳輸式測量方法，顧名思義是測量被測件中正向傳輸?shù)腜IM信號(hào)，一般用于雙端口或者多端口器件的測量中。絕大部分的無源器件，如雙工器、濾波器、定向耦合器等都可以采用這種測量方法。測量方式如圖4所示。具體的測量原理如圖5所示。

4.2 反射式測量方法

反射式測量方法，顧名思義是測量被測件中反向傳輸?shù)腜IM信號(hào)，一般用于單端口器件的測量中。天線和負(fù)載等都可以采用這種測量方法。測量方式如圖6所示。具體的測量原理如圖7所示。